В ожидании гигантских ускорителей

Если бы нынешняя Европейская стратегия по развитию физики высоких энергий была принята лет сорок назад, она бы не вызвала никаких вопросов. Главный приоритет на будущее — работа над созданием электрон-позитронного коллайдера периметром 100 км. Это значит, что ЦЕРН по-прежнему претендует на лидерство в мире в области строительства гигантских ускорителей, предназначенных для исследований физики частиц¹.

В течение почти всей второй половины XX века словосочетание «большой ускоритель» воспринималось как синоним к «хороший ускоритель». Создание всё больших и больших ускорителей рассматривалось даже как один из элементов гео­политического соперничества. Выбор максимальной энергии частиц определялся в основном экономическими соображениями, а в целом чем больше, тем лучше. Было принято прогресс ускорителей иллюстрировать диаграммой, показывавшей по годам экспоненциальный рост энергии взаимодействующих частиц. Ситуация радикально изменилась в 1993 году, когда Конгресс США прекратил финансирование самого грандиозного ускорительного проекта за историю человечества — сверхпроводящего суперколлайдера (SSC). Это был огромный ускорительный комплекс, основная установка которого — коллайдер с периметром орбиты 87 км и энергией протонов 20 ТэВ. К 1993 году на строительство уже было потрачено 2 млрд долл. (на современные цены сумма еще более грандиозная), шла прокладка туннеля и монтаж оборудования. Конгресс мотивировал свое решение двумя основными причинами. Первая из них — распад СССР, в результате которого у США исчезла необходимость доказывать свое превосходство в области физики высоких энергий (в 1980-е годы в СССР были начаты работы по созданию коллайдера с периметром 20 км и энергией 3 ТэВ, советский проект был окончательно закрыт в 1998 году). А вторая, и куда более важная из них, заключалась в том, что американские физики пессимистично относились к исследовательскому потенциалу такой установки и считали, что на эти средства можно осуществить большое количество куда более интересных проектов. Скепсис со стороны теоретиков по отношению к гигантским ускорителям возник еще в начале ­1980-х, когда начался массовая «утечка мозгов» из физики высоких энергий в астрофизику. Например, академик РАН А. Н. Сисакян, на стыке веков возглавлявший Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне и сформировавший нынешнее лицо института, в лекциях по физике частиц так иллюстрировал возможности новых фундаментальных открытий с использованием ускорителей на сверхвысокие энергии: «Напомню, что ускорение частиц до энергии 10¹⁵ ГэВ, отвечающей „великому объединению“ сильного и электрослабого взаимодействий, потребовало бы сооружения ускорителя размером с Солнечную систему. А если бы мы хотели продвинуться до „планковской“ энергии 10¹⁹ ГэВ (на этом рубеже становятся существенными квантово-гравитационные эффекты), то пришлось бы строить ускоритель, кольцо которого имело бы протяженность порядка 10 световых лет».

На этом фоне создание Большого адронного коллайдера (LHC, БАК) в ЦЕРНе стало возможным благодаря уникальному стечению многих обстоятельств. Во-первых, в ЦЕРНе был готовый туннель длиной 27 км (в котором размещался Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), и максимальная энергия протонов 7 ТэВ в LHC была продиктована именно периметром туннеля, а не программой исследований). И, что еще более важно, проект начинался на фоне активного формирования Европейского Союза в его современном виде. Тогда настолько преобладали центростремительные тенденции, что любые общеевропейские проекты воспринимались с энтузиазмом. Не случайно внимание средств массовой информации было активно направлено и на LHC — вплоть до обсуждения домохозяйками его будущей научной программы. Строительство LHC потребовало концентрации ресурсов и привело к закрытию нескольких небольших лабораторий в разных странах, но тогда на эту жертву пошли именно в духе задачи ЦЕРНа — объединение усилий всей Европы, позволяющее реализовать программы, достойно выглядящие на фоне сверхдержав.

Оправдал ли LHC связанные с ним ожидания? И да и нет. Его основной задачей было открыть бозон Хиггса или однозначно доказать, что такой частицы в природе не существует (а были и варианты теории, которые без нее обходились). С этой задачей он справился. Но кроме задач были еще и мечты. Мечты, в которые по-настоящему никто не верил. И одна из них — это открытие суперсимметричной частицы SUSY, кандидата на объяснение загадки темной материи. А другая мечта — из области «а вдруг?». Увы, LHC разбил все мечты. Никаких «а вдруг?», и так до ускорителя размером в Солнечную систему.

Будет ли после этого человечество строить новые гигантские коллайдеры? После вышесказанного ответ может прозвучать странно, но да. В ближайшей перспективе как минимум один. Это будет электрон-позитронный коллайдер на энергию пучков 250 ГэВ (максимальная энергия протонов в LHC равна 7 ТэВ). Именно столько нужно, чтобы исследовать свойства бозона Хиггса. Здесь уместно пояснить разницу между протонным и электрон-позитронным коллайдером. Протон частица составная: его образуют три кварка и примерно столько же глюонов, поэтому на каждую элементарную частицу (или ­консистюэнт) при столкновениях приходится примерно 1/6 часть полной энергии протона. Но, что самое важное, энергия составных частей протона не может быть точно определена, а именно они и рождают при столкновениях новые частицы. Электрон, как и позитрон, является частицей элементарной, поэтому вся энергия расходуется в столкновениях, а энергия электронов и позитронов может быть установлена с высочайшей точностью. Поэтому иногда говорят, что протонный коллайдер — установка для открытий, а электрон-позитронный — для изучения уже открытого. Открытие бозона Хиггса сформулировало задачу для электрон-позитронного коллайдера: набор большого количества данных и прецизионные измерения свойств новой частицы. В важности этой задачи никто из физиков не сомневается, и рано или поздно такая установка состоится (ее называют фабрикой хиггсов). В начале века, когда стартовала разработка технического проекта Международного линейного коллайдера (ILC), было ясно, что это может быть только линейный коллайдер: он обеспечивает бо́льшую светимость (т. е. темп набора данных) по сравнению с циклическим. С тех пор в физике циклических коллайдеров произошла революция, позволившая за счет новых идей по организации места столкновения пучков обеспечить увеличение светимости примерно в сто раз. Сейчас и линейный, и циклический коллайдер в качестве фабрики хиггсов практически эквивалентны по всем параметрам: и по светимости, и по капитальным и по эксплуатационным затратам. Какой из них строить — дело вкуса. Но понятно, что этой ниши хватит только на одну установку в мире. И как только кто-нибудь начнет ее строить, все остальные проекты с большой вероятностью сразу умрут. ЦЕРН ставит на циклический коллайдер, и если они начнут прокладывать туннель раньше других, то конкурентов уже не будет. Или, если бы японское правительство подтвердило в прошлом году свое решение о размещении ILC в Японии (а по условиям соглашения страна размещения покрывает не менее половины стоимости), то стратегия развития ЦЕРНа, наверное, была бы иной. Проект циклической фабрики хиггсов сейчас активно разрабатывается также и в Китае; периметр установки там, как и в ЦЕРНе, оценивается примерно в 100 км. Если правительство КНР начнет финансировать прокладку туннеля, то не исключено, что у европейской программы возникнут серьезные проблемы.

И всё же если руководство ЦЕРНа правильно оценило ситуацию, то фабрика хиггсов будет построена именно в Швейцарии. Что это означает для будущего этой организации? В текущий момент львиная доля бюджета тратится на эксплуатацию и развитие LHC. Будущий циклический коллайдер «съест» весь бюджет на многие годы вперед, и на другие программы останутся крохи. ЦЕРН окончательно превратится в ­лабораторию одной установки. Для персонала, как и для научных коллабораций, такой сценарий вполне приемлем — это хорошая работа на десятилетия. Главный риск — потеря интереса к ЦЕРНу со стороны стран-участниц. Главная проблема — полная неопределенность в судьбе через пятьдесят лет. В протон-протонный коллайдер в туннеле фабрики хиггсов по гамбургскому счету никто не верит (может, это слишком субъективная оценка).

Руководство ЦЕРНа сделало трудный выбор. Но прежде чем его осуждать или приветствовать, нужно рассмотреть другие возможные варианты.

Один из них — это превращение лаборатории в центр коллективного пользования, когда любой группе ученых, которая предложила интересную программу исследований, предоставляется время работы на одной из установок. Таким путем пошли несколько крупных лабораторий. Например, DESY в Гамбурге, многие годы являвшаяся одним из лидеров исследований по физике частиц. Сейчас установка PETRA, бывший электрон-позитронный коллайдер (в свое время лидер по энергии, на котором был открыт глюон), переоборудован в источник синхротронного излучения, а в 2018 году в DESY был запущен Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL). XFEL — сверхпроводящий линейный ускоритель длиной 3,4 км. Конечно, это не линейный коллайдер, но масштаб впечатляет. Сейчас лаборатория обладает уникальным набором оборудования, позволяющего проводить исследования по биологии, химии, материаловедению, и работает на условиях открытого доступа. Для ЦЕРНа такой путь, скорее всего, всерьез даже не рассматривался. Во-первых, это полный отказ от уникальной роли в мировой науке, а во-вторых, набор экспериментальных установок очень далек от требований прикладных исследований.

Еще один путь — осуществление исследований «широким фронтом» на менее масштабных установках. Этот путь реализуется в ОИЯИ и этим же путем пошли разработчики международной установки FAIR, которая сооружается в Германии, также при участии России. В ОИЯИ в настоящее время обсуждается стратегический план развития этой организации. В его проект включены все традиционные для ОИЯИ направления: синтез сверхтяжелых элементов, физика нейтрино, прикладные исследования с помощью источника нейтронов, эксперименты по релятивистской ядерной физике на коллайдере NICA, исследования по радиобиологии, развитие информационных технологий. Проект FAIR начинался с формирования четырех больших коллабораций, с научными интересами от медицины до астрофизики. Структура и параметры установок выбирались так, чтобы максимально удовлетворить их запросам. Такой путь, наверное, возможен и для ЦЕРНа. Во всяком случае, была создана группа, работающая над диверсификацией программы исследований, и она подготовила материалы как минимум по десяти интересным направлениям, помимо физики на LHC. В стратегии развития присутствуют слова о продолжении работы в этом направлении, но на фоне затрат на новый коллайдер это скорее жест вежливости.

Анатолий Сидорин,
канд. физ.-мат. наук, зам. начальника ускорительного отделения Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ

¹ См. также интервью с Анатолием Сидориным в ТрВ-Наука (trv-science.ru/2020/11/sidorin-mahonin/ и trv-science.ru/2020/11/sidorin-mahonin-2/) и иной взгляд на ту же проблему Игоря Иванова (nplus1.ru/material/2020/06/23/cern-gonna-fcc)